A p p u n t i di E l e t t ro n i ca
C a p i to l o 1 3 – p a r t e I V
L a r e a z i o ne
G UADAGNO D ’ ANELLO E RAPPORTO DI RITORNO ................................................................... 2
Valutazione diretta del guadagno d’anello ....................................................................... 2
Esempio: stadio invertitore con reazione base-collettore ................................................... 4
Differenze tra guadagno d’anello e rapporto di ritorno ..................................................... 9
Esempio: rapporto di ritorno in uno specchio di Wilson (a MOS)..................................... 12
P RINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI .................................................................. 14
Introduzione................................................................................................................. 14
Introduzione al modello ................................................................................................ 15
Esempio: Stadio inseguitore di tensione a BJT................................................................ 18
Esempio: stadio invertitore con degenerazione di emettitore .............................. 23
Guadagno di feedback in funzione del guadagno asintotico ............................................. 27
Esempio: stadio inseguitore di tensione a BJT ................................................................ 29
Esempio: stadio invertitore con degenerazione di source................................................. 30
Esempio: stadio invertitore a BJT con reazione base-collettore ....................................... 32
Note sulla resistenza interna del generatore forzante .................................................... 34
F ORMULA BI B LACKMAN .................................................................................................. 36
Introduzione................................................................................................................. 36
Esempio: inseguitore di tensione a BJT .......................................................................... 38
Esempio: stadio invertitore con reazione base-collettore ................................................. 39
Esempio: resistenza di uscita dello specchio di Wilson .................................................... 42
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
G
Gu
uaad
daag
gn
no
od
d’’aan
neellllo
o ee rraap
pp
po
orrtto
od
dii rriitto
orrn
no
o
Valutazione diretta del guadagno d’anello
Nei paragrafi precedenti abbiamo visto che la conoscenza del guadagno d’anello
T=a⋅⋅ f consente di valutare le proprietà dell’amplificatore ad anello chiuso: in
particolare, esso consente di valutare l’entità della desensibilizzazione (quantificata
dal coefficiente D=1+T) e l’eventuale tendenza del sistema all’instabilità. Diventa
allora importante poter calcolare T direttamente sul circuito in esame, senza dover
ricorrere al metodo dei doppi bipoli precedentemente introdotto.
Il metodo diretto per il calcolo del guadagno di anello può essere compreso con
riferimento alla figura seguente:
segnale
di prova
risposta
al segnale
di prova
anello
di reazione
Una volta soppresso il generatore forzante di ingresso e una volta individuato
l’anello di reazione, si sceglie, in modo opportuno, un punto in cui interrompere
tale anello; a valle di questo punto, si inietta un segnale di prova x t , il quale
percorre l’anello e genera un segnale di ritorno x r a monte del taglio: i due segnali
risultano legati dalla relazione
T = a ⋅f = −
xr
xt
Dobbiamo capire perché vale quest’ultima uguaglianza e possiamo farlo con
riferimento allo schema a blocchi generale della reazione negativa:
xS
+
+
-
xe
amplificatore
xO
a
rete di reazione
xf
f
Per prima cosa, stacchiamo il generatore forzante x S , il quale non influisce
minimamente sul valore del guadagno d’anello. Dobbiamo poi scegliere un punto in
Autore: Sandro Petrizzelli
2
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
cui interrompere l’anello di reazione e possiamo ad esempio scegliere il nodo a valle
dell’amplificatore di andata:
-
-fxt
+
amplificatore
a
xr=-afxt
xt
rete di reazione
fxt
f
A valle del taglio, applichiamo un segnale di prova x t : questo segnale va in
ingresso alla rete di reazione, la cui uscita, per definizione, risulta essere f⋅x t.
Questo segnale va in ingresso al nodo comparatore, il quale dovrebbe sottrarlo
all’ingresso forzante x S ; essendo questo nullo, l’uscita del nodo comparatore è
semplicemente il segnale -f⋅x t , il quale va ingresso all’amplificatore di andata,
dando una uscita pari a -a⋅f⋅x t .
Questo è esattamente il segnale che ritroviamo a monte del punto in cui abbiamo
interrotto l’anello, ossia il segnale di ritorno, che possiamo confrontare con quello
di prova per ottenere proprio -a⋅f ( 1).
In definitiva, il segnale di ritorno x r è il segnale che l’anello di reazione produce in
risposta al segnale di test che è stato iniettato nell’anello stesso.
Una importante considerazione da fare è la seguente: nel momento in cui si va ad
effettuare il taglio dell’anello di reazione, è necessario ripristinare, a monte del
taglio, l’impedenza che si vedeva a valle del taglio prima che questo fosse effettuato.
Questa operazione, che sarà più chiara negli esempi che seguiranno, è superflua
tutte le volte che si opera il taglio dell’anello a valle di un generatore ideale di
corrente (o di tensione) e si usa come segnale di prova un segnale di corrente (o di
tensione).
A questo punto, bisogna tener conto che il rapporto -x r /x t non rappresenta, in
realtà, il valore esatto del guadagno di anello e questo per via del fatto che lo
schema dal quale abbiamo ricavato la relazione T=-x r /x t è uno schema solo ideale,
in base al quale la rete di azione e la rete di reazione sono entrambe unilaterali e la
rete di reazione non esercita alcun effetto di carico sulla rete di azione. Tuttavia,
nei casi pratici, il rapporto -x r /x t risulta essere, come si vedrà, una buona
approssimazione del guadagno d’anello: per questo motivo, lo si indica con la
lettera θ e lo si chiama rapporto di ritorno (return ratio).
La relazione da considerare è dunque
θ=−
xr
xt
Per quanto riguarda il segnale di prova, la scelta di un segnale di tensione o di
un segnale di corrente va fatta a seconda di come risulta più agevole il calcolo.
E’ anche importante scegliere in modo opportuno il punto in cui operare il taglio:
E’ importante osservare che il segno negativo del rapporto -xr/xt tiene conto del fatto che, nella
schematizzazione a blocchi con nodo comparatore in ingresso, percorrendo l’anello di reazione si
ottiene una stima della quantità -a⋅f. Se, invece, ci fosse una reazione positiva, cioè se il nodo in
ingresso fosse un nodo sommatore, allora si avrebbe una stima di +a⋅f.
1
3
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
• nei circuiti contenenti transistori BJT o FET, è spesso opportuno tagliare
l’anello a valle del collettore o del dain, ossia a valle del generatore di
corrente pilotato in tensione;
• invece, nei circuiti impieganti amplificatori operazionali, dato che possono
essere modellati tramite generatori di tensione (comandati in tensione)
praticamente ideali (ossia con bassissima resistenza di uscita), l’anello può
essere tagliato immediatamente a valle di tale di tale generatore).
Esempio: stadio invertitore con reazione basebase-collettore
Consideriamo ancora una volta uno stadio ad emettitore comune avente una
resistenza di reazione situata tra la base ed il collettore:
Abbiamo ampiamente studiato questo circuito, osservando che è reazionato
(negativamente) mediante una connessione parallelo in uscita (misura della
tensione di uscita) e parallelo in ingresso (confronto di correnti): l’espressione del
guadagno d’anello, trovata mediante il metodo dei doppi bipoli, è
1 1
g m −
R
R
g (r // R S )R C
F
F
T=
≅ m π
RF
1
1
1 1
1
1
+
+ +
+
R S rπ R F rO R F R C
Per avere una stima di questo guadagno d’anello mediante il metodo diretto
esposto prima, dobbiamo per prima cosa eliminare il generatore forzante (il che
comporta che l’estremo sinistro di R S venga posto a massa), per cui il circuito
diventa il seguente:
Autore: Sandro Petrizzelli
4
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Il modello equivalente per piccoli segnali è il seguente:
RF
RS
+
vπ
rO
rπ
RC
gmvπ
-
L’individuazione dell’anello di reazione, sia nel circuito di partenza sia in quello
per piccolo segnale, è abbastanza immediata.
Dobbiamo allora scegliere dove interrompere l’anello. Possiamo per esempio
procedere come indicato nella figura seguente:
Abbiamo considerato, come segnale di prova, una tensione v t applicata alla base
del transistor e siamo interessati a valutare il segnale di risposta in termini di
tensione v r ai capi di R S .
5
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Possiamo allora procedere determinando prima la tensione v out in funzione di v t e
successivamente la v r in funzione di v out . Utilizziamo il circuito equivalente per
piccoli segnali:
RF
RS
vr
v out
vt
+
-
+
vπ
rO
rπ
RC
gmvπ
-
Tuttavia, prima di effettuare i calcoli, dobbiamo ripristinare, a monte del taglio,
l’impedenza vista a valle del taglio prima di effettuarlo: a valle del taglio si vede la
r π del transistor, per cui dobbiamo porla a monte del taglio, ossia in parallelo alla
RS.
Sulla base di questa considerazione, il circuito su cui fare i calcoli diventa il
seguente:
RF
rπ // R S
vr
v out
vt
+
-
+
vπ
rO
rπ
RC
gm vπ
-
Se, per semplicità, trascuriamo la resistenza di uscita r O (supponendola
sufficientemente più grande di R C da soccombere nel parallelo), osserviamo
immediatamente che
v out = −g m v π [R C // (R F + (rπ // R S ))] = −g m v t [R C // (R F + (rπ // R S ))]
dove abbiamo tenuto conto del fatto che la tensione di prova coincide con la
tensione v π .
Nota la tensione di uscita, ossia la tensione ai capi della serie R F +(r π//R S ),
dobbiamo semplicemente eseguire la partizione di tale tensione su (r π //R S ):
vr =
(rπ // R S )
v out
R F + (rπ // R S )
Autore: Sandro Petrizzelli
=
(rπ // R S )
− g m [R C // (R F + (rπ // R S ))]v t
R F + (rπ // R S )
6
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Da qui concludiamo che il rapporto di ritorno vale
θ=−
v r g m (rπ // R S )[R C // (R F + (rπ // R S ))]
=
vt
R F + (rπ // R S )
Questa espressione fornisce dunque il valore del rapporto di ritorno, ossia una
stima del guadagno d’anello.
Del resto, se facciamo qualche approssimazione, ci accorgiamo che, in questo
caso, si tratta di un ottima stima di T: infatti, tenendo conto che la resistenza R F è
generalmente molto grande (anche 100kΩ), per cui prevale nella serie con (r π //R S ),
mentre, a numeratore, “soccombe” nel parallelo con R C : risulta perciò
−
v r g m (rπ // R S )R C
≅
vt
RF
e questa è la stessa espressione trovata in precedenza con il metodo dei doppi
bipoli.
In effetti, comunque, le semplificazioni fatte non sono sempre lecite, però si ha
una idea di quanto θ si avvicini a T.
In generale, possiamo comunque affermare che l’uguaglianza T=a⋅f=θ si ha
quando il circuito è costituito da un amplificatore diretto unilaterale e da una rete di
reazione unilaterale. Sono, tuttavia, pochi i circuiti che possono essere costruiti con
reti unilaterali.
A questo punto, osserviamo che il procedimento appena seguito, per quanto
corretto, ha comportato alcuni passaggi aggiuntivi che possono essere invece
eliminati scegliendo in modo più opportuno il punto in cui interrompere l’anello e
scegliendo anche un altro tipo di segnale di prova, cioè un segnale di corrente.
Consideriamo, infatti, nuovamente, il circuito per piccoli segnali dello stadio (con
il generatore forzante già passivato):
RF
RS
+
vπ
rO
rπ
RC
gmvπ
-
Come detto in principio, conviene, in un caso come questo, interrompere l’anello
a valle del generatore di corrente pilotato in tensione, ossia tra la r O ed il suddetto
generatore pilotato.
Scelto questo punto per il taglio, dobbiamo applicare il segnale di prova e ci
conviene sicuramente usare un segnale in corrente, come nella figura seguente:
7
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
RF
RS
ir
+
rπ
rO
gm vπ
-
RC
it
Con questa scelta, siamo adesso interessati a calcolare il -i r /i t (rapporto di
ritorno lungo l’anello riferito al generatore pilotato g m v π ).
Trascurando ancora una volta la r O nel parallelo con R C , possiamo procedere in
modo simile a prima: in primo luogo, scriviamo facilmente che
i r = −g m v π
per cui dobbiamo calcolare la v π . Questa è la tensione ai capi della resistenza
(r π //R S ), la quale è in serie ad R F : la serie R F +(r π //R S ) è in parallelo a sua volta ad
R C , per cui dobbiamo calcolare prima la tensione v out ai capi di tale parallelo:
v out = i t {[R F + (R S // rπ )] // R C }
Questa è la tensione ai capi di R F +(r π//R S ), per cui la partizione ai capi di
(r π //R S ), ossia quindi di r π , è la seguente:
vπ =
(R S // rπ )
v out
R F + (R S // rπ )
=
(R S // rπ )
{[R F + (R S // rπ )] // R C }i t
R F + (R S // rπ )
Tornando allora nell’espressione di i r , abbiamo che
i r = −g m v π = −g m
(R S // rπ )
{[R F + (R S // rπ )] // R C }i t
R F + (R S // rπ )
da cui concludiamo che il rapporto di ritorno vale
θ=−
ir
(R S // rπ )
= gm
{[R F + (R S // rπ )] // R C }
it
R F + (R S // rπ )
ossia la stessa espressione trovata prima calcolando il rapporto − v r / v t .
Autore: Sandro Petrizzelli
8
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Differenze tra guadagno d’anello e rapporto di ritorno
Nell’esempio precedente abbiamo visto come è possibile calcolare, per un circuito
reale, il rapporto di ritorno. Abbiamo anche sottolineato che esso rappresenta solo
una stima del guadagno d’anello dell’amplificatore reazionato e che tale stima è
tanto migliore quanto più le reti di azione e reazione possono essere considerate
unilaterali.
Possiamo allora accorgerci che il valore di T ed il valore di θ sono, in generale,
diversi se li calcoliamo entrambi sul circuito ottenuto modellando la rete di azione e
quella di reazione mediante l’approccio dei doppi bipoli.
Consideriamo, per esempio, un amplificatore in transresistenza, ossia un
amplificatore reazionato mediante una connessione parallelo sia in uscita sia in
ingresso (come nell’esempio precedente). Sappiamo ormai bene che è possibile
modellare l’amplificatore nel modo seguente:
RS
vS
iO
+
y22a
y11a
-
y21avi
y12avO
+
vO
-
y22f
y11f
y21fvi
y12fvO
Calcolando il guadagno d’anello su questo circuito, sappiamo che si ottiene la
formula
T = af = −
y 21 y 12
(G S + y 11 )y 22
(dove si suppone che il carico sia semplicemente costituito da R C ).
Per calcolare, invece, θ, dobbiamo eliminare il generatore forzante v S , aprire
l’anello in un punto opportuno, inserire il generatore di prova i t e valutare
successivamente la corrente di ritorno i r . Interrompiamo allora l’anello a valle del
generatore pilotato y 12a v i che modella il trasferimento diretto della rete di azione e
quello inverso della rete di reazione:
RS
ir
+
vi
-
+
y22
y11
y12vO
y21avi
it
vO
-
y21fvi
9
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Calcoliamo il rapporto -i r /i t . Possiamo intanto scrivere che
i r = − y 21a v i
per cui dobbiamo calcolare la tensione di ingresso v i dell’amplificatore. Questa è la
tensione ai capi della conduttanza y 11 +G S ; questa conduttanza è alimentata dalla
corrente y 12 v O , per cui abbiamo che
vi =
y 12 v O
y 11 + G S
La tensione di uscita è la tensione ai capi della conduttanza y 22 , la quale è
alimentata dalla corrente i t -y 21f v i : abbiamo quindi che
i − y 21f v i
y 12 t
y 22
vi =
y 11 + G S
→ v i =
y 12 i t
(y 11 + G S )y 22 + y 12 y 21f
Sostituendo quindi nell’espressione di i r , otteniamo che
i r = − y 21a
ir
y 12 y 21a
y 12 i t
→ θ = − =
i t (y 11 + G S )y 22 + y 12 y 21f
(y 11 + G S )y 22 + y 12 y 21f
Questa è dunque l’espressione generale del rapporto di ritorno per un
amplificatore
reazionato
parallelo-parallelo
(ossia
un
amplificatore
in
transresistenza).
Confrontando questa espressione con quella generale del guadagno di anello, si
nota che sono diverse, per cui, in generale, risulta θ≠T. In particolare, si osserva
che la diversità deriva dall’aver considerato il trasferimento diretto della rete di
reazione, ossia il parametro y 21f , il che fa’ si che y 21a ≠y 21 . Se, invece, facessimo
l’ipotesi di unilateralità della rete di reazione, risulterebbe
θ=−
ir
y 12 y 21
≅
=T
i t (y 11 + G S )y 22
ossia la perfetta coincidenza tra rapporto di ritorno e guadagno d’anello.
E’ chiaro che passaggi del tutto analoghi si possono fare per le altre tre
configurazioni degli amplificatori reazionati: per esempio, per una configurazione
serie-parallelo (amplificatore di tensione), si trova che
θ=−
ir
h 12 h 21a
=
i t (h 11 + R S )h 22 + h 12 h 21f
e cioè una espressione del tutto analoga a quella trovata per la configurazione
parallelo-parallelo, per cui valgono evidentemente le stesse considerazioni.
In generale, la semplificazione di assumere il trasferimento diretto della rete di
reazione trascurabile rispetto a quello della rete di azione non è sempre accettabile.
Autore: Sandro Petrizzelli
10
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Inoltre, trascurare la trasmissione diretta attraverso la rete di reazione può
portare ad errori nella valutazione degli effetti di carico che essa esercita sulla rete
di azione.
Possiamo dunque riassumere queste considerazioni mediante un teorema:
Teorema - In un amplificatore reazionato riconducibile ad una rappresentazione a
singolo anello di reazione, il rapporto di ritorno θ relativo al generatore
controllato della rete di azione è una buona approssimazione del guadagno
d’anello T=a⋅f se sono verificate due condizioni:
• il trasferimento diretto della rete di azione deve essere di gran lunga
prevalente rispetto a quello della rete di reazione (ossia h 21a >> h 21f per
un amplificatore di tensione o l’analoga espressione per gli altri 3 tipi di
amplificatori);
• deve risultare Z I YO >> h 12 h 21f
per un amplificatore di tensione oppure
l’analoga espressione per gli altri 3 tipi di amplificatori.
Ci sono due casi in cui si può verificare facilmente l’uguaglianza di θ e di T:
quando la variabile di uscita è la tensione ai capi di un generatore di tensione
controllato o quando si tratta della corrente attraverso un generatore di corrente
controllato.
Osserviamo, inoltre, che, nel calcolo pratico di θ, non si fa riferimento ad una
schematizzazione per mezzo di doppi bipoli, ma, come visto nell’esempio
precedente, si effettua il calcolo direttamente sul circuito o al massimo sul suo
equivalente per piccoli segnali. Inoltre, se la rete di reazione è resistiva (come nei
casi da noi considerati), si assume come generatore controllato quello (o uno di
quelli) della rete di azione.
Nel caso si consideri un amplificatore con più stadi in cascata, i rapporti di
ritorno per tutti i dispositivi attivi sono gli stessi, purché ci sia un unico anello di
reazione. Questo non è più vero, ovviamente, quando sono presenti anche delle
reazioni locali.
In definitiva, il guadagno d’anello T può essere visto come il rapporto di ritorno θ
calcolato per il generatore controllato globale diretto h 21 (o inverso h 12 ). Il fatto che,
in genere, in un circuito non si consideri, nel calcolo di θ, il trasferimento globale,
ma solo quello parziale della rete di azione o della rete di reazione, dà origine alla
differenza di θ rispetto al guadagno d’anello T, come visto in precedenza.
Ci sono poi altre differenze che riguardano il comportamento dinamico
dell’amplificatore: in particolare, dato che le espressioni analitiche di θ e di T, sono,
come detto, diverse, può accadere che la funzione di trasferimento T(s) abbia degli
zeri che non compaiono nella funzione di trasferimento θ(s). D’altra parte, è stato
dimostrato in modo rigoroso (da Bode) che il θ(s) ha il grande pregio di poter essere
impiegato per verificare la stabilità di un amplificatore a singolo anello di reazione; al
contrario, si è verificato che, per predire la stabilità ad anello chiuso per mezzo di
T(s), è necessario che l’amplificatore di andata sia stabile: una eventuale instabilità
dell’amplificatore ad anello chiuso è, in questo caso, il risultato della presenza nel
semipiano destro di zeri della funzione 1+a(s)f(s) (rivelati per mezzo del criterio di
Nyquist).
Nonostante queste differenze tra T e θ, il calcolo di θ si rivela utile in molti casi
pratici in cui non è possibile o non facile o non indispensabile identificare il blocco
di azione e quello di reazione.
11
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Un aspetto molto importante, come abbiamo già detto, è che, quando si
interrompe l’anello, occorre caricare l’estremo a monte del taglio con l’impedenza di
carico che esso vede prima del taglio (a meno che tale impedenza non sia infinita).
A volte, ciò è impossibile da farsi in modo rigoroso, poiché gli effetti di carico della
rete di azione e della rete di reazione sono reciproci.
Esempio: rapporto di ritorno in uno specchio di Wilson (a
MOS)
Consideriamo lo specchio di corrente di Wilson, ad esempio nella versione MOS:
VDD
R
IO
Irif
A
M3
M1
M2
Questo circuito è un circuito reazionato: l’anello di reazione può essere visto a
partire dal nodo A, passando per la giunzione gate-source di M3, per il ramo che
mette in cortocircuito il gate ed il drain di M2 e per la giunzione gate-drain di M1.
Per prima cosa, vogliamo capire se si tratta o meno di una reazione negativa: per
farlo, ci basta interrompere l’anello di reazione in un qualsiasi punto, applicare un
segnale di prova in tale punto e stabilire se esso viene riportato, a monte
dell’interruzione, in opposizione di fase oppure no.
Possiamo allora scegliere, come punto di interruzione, il terminale di gate di M1:
muovendoci in senso orario, osserviamo una prima inversione di segno tra il gate
ed il drain di M1; successivamente, nel passaggio dal gate al source di M3 e quindi
a monte dell’interruzione, non abbiamo alcuna inversione, per cui deduciamo che la
reazione è negativa.
Accertato questo, vogliamo una stima θ del guadagno d’anello ottenuta con il
metodo diretto esposto nei paragrafi precedenti.
Andiamo allora ad interrompere nuovamente l’anello di reazione in
corrispondenza del gate di M1 e ad applicare, a valle dell’interruzione, un segnale
di test v t (non abbiamo da ripristinare alcuna impedenza in quanto i MOSFET
hanno impedenza di ingresso infinita):
Autore: Sandro Petrizzelli
12
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
VDD
R
A
M3
M1
M2
vt
Dato che M3 non assorbe corrente di gate, il ramo facente capo ad M1 è un
semplice stadio a source comune, per cui il suo guadagno vale A V1 =-g m1 R: allora,
essendo v t la tensione di ingresso e v A quella di uscita, possiamo scrivere che v A =g m1 Rv t .
Questa tensione è applicata sul gate di M3, il quale si comporta da inseguitore di
tensione con carico pari alla resistenza vista guardando dal source verso massa:
tale resistenza è quella presentata da M2 connesso a diodo, cioè vale 1/g m2 .
Possiamo allora scrivere che v r =
rapporto di ritorno vale
v A − g m Rv t
=
, da cui ricaviamo infine che il
2
2
θ=−
vr gmR
=
vt
2
13
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
P
Prriin
ncciip
piio
od
dii sso
ovvrraap
pp
po
ossiizziio
on
nee d
deeg
gllii eeffffeettttii
Introduzione
Abbiamo visto che l’analisi classica dei circuiti reazionati mediante il metodo dei
doppi bipoli mette in relazione le proprietà del sistema ad anello chiuso con quelle
ad anello aperto e con il guadagno d’anello. I vantaggi di questa metodologia
consistono essenzialmente nel fatto che, così facendo, il circuito può essere visto
come una implementazione dello schema generale a blocchi indicato nella figura
seguente e abbondantemente descritto:
xS
+
+
-
xe
amplificatore
xO
a
rete di reazione
xf
f
In particolare, il guadagno, le prestazioni dinamiche e le impedenze di ingresso e
di uscita ad anello chiuso sono espressi, secondo l’approccio dei doppi bipoli, in
termini delle corrispondenti quantità ad anello aperto (tramite il fattore D=1+af), il
che consente quindi di evidenziare l’effetto esercitato dall’anello di reazione su tali
quantità.
Tuttavia, a questi vantaggi corrisponde, come si è visto negli esempi, una
maggiore complessità di analisi, soprattutto nella definizione del modello a biporta
con trasferimento unidirezionale o, in alcuni casi, il ricorso a pericolose
approssimazioni.
Inoltre, la reazione, così come modellata dalla funzione di trasferimento della
rete di reazione, si assume applicata solo globalmente, ossia dall’uscita all’ingresso.
Da un punto di vista circuitale, ciò costituisce un vincolo che, oltre ad essere non
realistico, è anche non necessario.
Il metodo che ci accingiamo ad esporre, invece, consente di sviluppare una
metodologia generale che si applica a reti lineari attive. Tra i vari pregi di questo
metodo, c’è senz’altro quello di non richiedere l’individuazione del blocco di azione e
del blocco di reazione (e quindi nemmeno l’individuazione del tipo di connessione in
ingresso ed in uscita). Tale metodo, basato sull’applicazione del principio di
sovrapposizione degli effetti, ha inoltre il grande pregio di utilizzare il concetto di
rapporto di ritorno (return ratio): si tratta di un pregio in quanto, come detto in
precedenza, il rapporto di ritorno θ consente di definire rigorosamente le condizioni
di stabilità del circuito (come è stato dimostrato da Bode), prescindendo dalla
condizione di stabilità ad anello aperto (che invece è richiesta qualora si voglia
usare il metodo dei biporta, ossia il concetto di guadagno d’anello).
Inoltre, il metodo in questione consente di individuare una espressione rigorosa,
non approssimata, del guadagno di feedback in funzione di θ: questo è importante in
quanto, anche se potremmo scrivere che A f =
a
a
≅
, abbiamo osservato che
1+ T 1+ θ
non sempre la stima di T tramite θ è accurata e, inoltre, non abbiamo modo di
stabilire tale grado di accuratezza.
Autore: Sandro Petrizzelli
14
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Ancora, questo metodo è particolarmente utile, specialmente in fase di progetto,
quando, per esempio, si vuole mettere in evidenza l’influenza di uno specifico
parametro circuitale su una funzione di trasferimento: può trattarsi del guadagno
di un amplificatore, dell’impedenza di un bipolo, di una transimpedenza o di una
transammettenza definita tra due coppie di nodi della rete in esame, della funzione
di trasferimento di un elemento attivo e così via.
Introduzione al modello
Cominciamo con il considerare un generico amplificatore lineare reazionato a
singolo anello di reazione. In questo amplificatore, si fa l’ipotesi che agiscano due
distinti generatori (di tensione o di corrente): uno è il generatore di segnale esterno,
che indichiamo in generale con x S , mentre l’altro è un generatore pilotato (non
necessariamente appartenente al modello incrementale di un dispositivo attivo), che
indichiamo con x g =kx i , dove ovviamente x i è la variabile pilota (una tensione o una
corrente).
Inizialmente, si assume che il generatore controllato sia in realtà indipendente,
ad esempio ignorando (temporaneamente) la dipendenza di x g dalla variabile pilota
x i oppure, più di frequente, distinguendo una variabile pilota x̂ i indipendente da x i .
Successivamente, questa variabile sarà legata alle altre variabili del circuito
mediante un’equazione di vincolo del tipo x g = kx i oppure x̂ i = x i .
Trattandosi di una rete lineare, si può allora far uso del principio di
sovrapposizione degli effetti: in tal modo, qualunque tensione o corrente di segnale
può essere espressa come somma di due contributi indipendenti: uno dovuto al
generatore esterno x S con il secondo generatore soppresso e l’altro dovuto al
generatore x g con il primo generatore soppresso.
In termini analitici, quanto detto significa che possiamo esprimere, in funzione di
x S ed x g , sia la variabile di uscita x O sia la variabile di controllo x i : le equazioni
saranno del tipo
x O = Ax S + Bx g
x i = Cx S + Dx g
x g = kx i , sono eventualmente
Queste relazioni, insieme alla terza relazione
rappresentabili, per comodità, tramite un grafo di flusso del tipo indicato nella
figura seguente:
D
C
xS
B
xi
k
xg
xO
A
15
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
I nodi del grafo corrispondono alle variabili di lato (correnti e tensioni riferite a
massa), mentre i rami corrispondono a quantità che possono essere transimpedenze,
transammettenze, guadagni di tensione e guadagni di corrente (a seconda della
natura delle varie grandezze).
Possiamo dunque definire i 4 parametri A,B,C e D nel modo seguente:
• A=
xO
xS
: questo coefficiente prende il nome di guadagno della rete morta,
x g =0
in quanto rappresenta il valore dell’uscita dovuto all’azione del solo ingresso
forzante, ossia con il generatore pilotato x g spento; esso rappresenta quindi il
trasferimento diretto, dal generatore forzante all’uscita, quando il generatore
interno è spento.
• B=
• C=
• D=
xO
xg
xi
xS
xi
xg
xS =0
x g =0
xS =0
Il nostro obbiettivo è quello di calcolare il guadagno di feedback A f =x O /x S : per
farlo, possiamo sia procedere a livello analitico, sulla base delle due equazioni
prima citate, sia, più comodamente, possiamo applicare le note regole di riduzione
dei grafi orientati.
Seguendo questa seconda strada, si ottiene facilmente la seguente espressione:
Af =
xO
CkB
=A+
xS
1 − kD
Questa forma del guadagno di feedback (cioè della funzione di trasferimento ad
anello chiuso) mette in evidenza che il guadagno totale è composto da due termini:
il primo termine non dipende dal parametro k, mentre il secondo si annulla con k,
evidenziando proprio il modo con cui A f è influenzato da k. Questa è proprio
l’essenza del principio di sovrapposizione degli effetti.
Si osserva, dunque, immediatamente che l’applicazione di questo metodo porta
ad una espressione del guadagno di feedback che mette in evidenza proprietà del
tutto diverse da quelle evidenziate dalla formula A =
a
: mentre quest’ultima
1 + af
formula evidenzia sostanzialmente come la reazione modifica il guadagno ad anello
aperto dell’amplificatore, l’espressione
Af = A +
CkB
1 − kD
evidenzia sostanzialmente
come il guadagno ad anello chiuso risenta dell’azione del generatore pilotato scelto
come riferimento.
A partire da quella espressione, il nostro compito diventa semplicemente quello
di determinare le espressioni dei 4 parametri A,B,C e D (in base alle definizioni
riportate prima) sul circuito in esame.
Autore: Sandro Petrizzelli
16
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
L’ultima cosa che ci resta da vedere, circa la definizione generale del metodo, è il
modo in cui questo metodo tiene conto del rapporto di ritorno θ. Ci basta allora fare
qualche semplice passaggio analitico per evidenziare come il guadagno A f dipenda
da θ.
In primo luogo, se sopprimiamo l’ingresso x S e poniamo x g = kx̂ i , possiamo usare
la seconda equazione per scrivere che
x i = Cx S + Dx g = Dx g = Dkx̂ i
Se, allora, calcoliamo il rapporto − x i / x̂ i , è evidente che si tratta del rapporto di
ritorno, rispetto al generatore controllato x g , quando l’ingresso x S è nullo:
θi =
xi
x̂ i
= − Dk
x S =0
Possiamo dunque riscrivere il guadagno di feedback nella forma
Af = A +
CkB
1 + θi
Possiamo adesso mettere in evidenza, a secondo membro, il termine
Af =
A
1 + θi
CkB
A
(1 + θi ) + A = 1 + θ
i
A
:
1 + θi
CkB
1 − kD + A
Adesso, consideriamo l’espressione x O = Ax S + Bx g della grandezza di uscita: se
supponiamo x O =0, abbiamo da questa equazione che
xS = −
B
xg
A
Sostituendo questa nell’espressione x i = Cx S + Dx g dell’ingresso, otteniamo
BC
BC
xi = −
+ D kx̂ i
+ D x g = −
A
A
Se, allora, calcoliamo nuovamente il rapporto − x i / x̂ i , otteniamo questa volta il
rapporto di ritorno, rispetto sempre al generatore controllato x g , quando l’uscita x O
è nulla:
θO = −
xi
x̂ i
=
x O =0
BkC
− kD
A
17
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Sostituendo nella relazione
Af =
A
1 + θi
CkB
1 − kD + A , possiamo concludere che
l’espressione del guadagno di feedback è la seguente:
Af = A
1 + θO
1 + θi
Abbiamo dunque trovato che il guadagno di feedback (ma, più in generale,
qualunque funzione di trasferimento della rete) è espresso in funzione del guadagno
A della rete morta (cioè il guadagno diretto ottenuto ponendo a zero il valore del
parametro di riferimento k) e del rapporto di ritorno θ, calcolato una volta per
ingresso nullo e una volta per uscita nulla.
Quella equazione offre dunque la possibilità di calcolare il guadagno di feedback
senza passare attraverso i parametri B,C e D, ma calcolando θ i e θ O direttamente
sul circuito.
Ci sono casi in cui il rapporto di ritorno θ è diverso da zero anche con uscita
nulla (cioè θ O ≠0): questo fatto sta a rappresentare l’esistenza di una reazione
interna che non si annulla quando è nulla la grandezza in uscita. Vedremo più
avanti che il rapporto di ritorno con uscita nulla gioca un ruolo particolarmente
significativo nel calcolo dell’impedenza alla porta di un amplificatore dove sia
realizzata una connessione serie tra rete di azione e rete di reazione.
Esempio: Stadio inseguitore di tensione a BJT
Consideriamo uno stadio a collettore comune:
Sappiamo bene che questo circuito rappresenta un amplificatore di tensione
reazionato mediante una connessione parallelo in uscita e serie in ingresso: la
resistenza R E, che costituisce la rete di reazione, preleva la tensione di uscita v O e
la riporta così com’è in ingresso (cioè f=1), in modo tale che la tensione pilota del
transistor, a meno della R S , sia v π =v S -v O .
Abbiamo inoltre calcolato il guadagno di feedback sia mediante l’applicazione
delle leggi di Kirchoff sia mediante l’approccio dei doppi bipoli:
Autore: Sandro Petrizzelli
18
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Af =
(β + 1)R E
vO
=
v S R S + rπ + (β + 1)R E
dove il guadagno della rete di azione è a =
(β + 1)R E
R S + rπ
, mentre quello della rete di
reazione è unitario, per cui il guadagno di anello è T = af =
(β + 1)R E
R S + rπ
.
Vogliamo allora arrivare a queste stesse conclusioni applicando il metodo della
sovrapposizione degli effetti.
A tal fine, cominciamo a considerare il circuito equivalente incrementale
dell’amplificatore:
iO
RS
vS
+
vπ
+
-
g m v̂ π
rπ
-
vO
RE
Possiamo immediatamente fare le seguenti posizioni:
x S = v S
x = v
O
O
x = v
π
i
x g = g m v̂ π
→ k = g m
Stiamo perciò facendo riferimento al seguente grafo orientato:
D
C
vS
B
vπ
gm
ig
vO
A
vO = AvS + Big
v π = CvS + Di g
19
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Come primo procedimento, andiamo a calcolare il guadagno di feedback (che in
questo caso è un guadagno di tensione) con la formula
Af =
vO
CkB
=A+
1 − kD
vS
Mentre abbiamo già determinato il parametro k (=g m ), restano da definire gli altri
4 parametri:
• A=
vO
vS
: se il generatore pilotato è spento, la tensione di uscita non è altro
g m v̂ π = 0
che la partizione della tensione v S sulla resistenza R E, che è in serie ad R S ed
r π , per cui A =
• B=
vO
g m v̂ π
RE
;
R S + rπ + R E
: se l’ingresso v S è nullo, abbiamo la resistenza R S +r π in parallelo
vS = 0
alla R E, per cui v O = [(R S + rπ ) // R E ]g m v̂ π e quindi B = (R S + rπ ) // R E ;
• C=
vπ
vS
: se il generatore pilotato è spento, la v π è la partizione di v S sulla
g m v̂ π = 0
resistenza r π , che è in serie ad R S ed R E, per cui C =
• D=
vπ
g m v̂ π
rπ
;
R S + rπ + R E
: se l’ingresso v S è nullo, la resistenza R S +r π è in parallelo alla R E
vS = 0
ed il tutto è alimentato dalla corrente erogata dal generatore pilotato, per cui,
applicando il partitore di corrente, si ottiene che i π =
v π = rπ i π =
RE
g m v̂ π , da cui
R S + rπ + R E
rπ R E
rπ R E
g m v̂ π e quindi che D = −
.
R S + rπ + R E
R S + rπ + R E
Noti, dunque, i 4 parametri, possiamo calcolare il guadagno di feedback:
rπ
g m ((R S + rπ ) // R E )
R S + rπ + R E
vO
RE
Af =
=
+
v S R S + rπ + R E
rπ R E
1 + g m
R S + rπ + R E
Facendo
qualche
semplice
manipolazione
algebrica
(senza
alcuna
approssimazione), si giunge ancora una volta alla seguente espressione (corretta,
non approssimata):
Af =
Autore: Sandro Petrizzelli
(1 + β)R E
R S + rπ + (1 + β )R E
20
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Possiamo ora fare due importanti osservazioni:
• la prima è che, come avevamo previsto in linea del tutto generale, il
guadagno A della rete morta non dipende in alcun modo da g m (cioè dal
parametro del generatore controllato), mentre il termine
strettamente da g m (e si annulla con esso);
CkB
dipende
1 − kD
• la seconda osservazione è che la scelta del generatore pilotato da
considerare indipendente non è univoca: per esempio, se avessimo voluto
valutare la dipendenza di A f non da g m , ma da R E, avremmo potuto
modellare questa resistenza come un generatore di tensione R Ei RE pilotato
dalla corrente i RE : in tal modo, avremmo ottenuto (ovviamente) la stessa
espressione conclusiva di A f , ma diverse espressioni dei singoli parametri
k,A,B,C,D; così facendo, avremmo ad esempio potuto evidenziare il
contributo ad A f in assenza della R E. Ovviamente, con un procedimento di
questo tipo, il parametro A non avrebbe più assunto il significato di
guadagno della rete morta, in quanto questa terminologia si riferisce
esplicitamente al guadagno ottenuto con il generatore pilotato spento, cioè
con la rete diventata passiva. Per specificare questa distinzione tra il
parametro A riferito al generatore pilotato ed il parametro A riferito ad un
qualsiasi elemento (come ad esempio la R E) del circuito, useremo, per il
primo (ossia per il guadagno della rete morta), il simbolo AD .
A questo punto, ripetiamo il procedimento del calcolo di A f usando però la
formula A f = A D
1 + θO
.
1 + θi
Mentre il parametro A D (che in questo caso è propriamente il guadagno della rete
morta, visto che ci stiamo riferendo al generatore pilotato x g = g m v̂ π ) ha la stessa
espressione trovata prima, dobbiamo calcolare i due rapporti di ritorno.
Cominciamo dal rapporto di ritorno con uscita nulla, definito analiticamente nel
modo seguente:
θO = −
xi
x̂ i
=−
x O =0
vπ
v̂ π
v O =0
E’ bene osservare che la condizione di uscita nulla non si ottiene perché
fisicamente si va a cortocircuitare la resistenza R E, ma corrisponde ad una
situazione di cortocircuito virtuale di tale resistenza: si suppone cioè di lavorare
con un valore dell’ingresso tale che la tensione ai capi di R E risulti nulla.
Ovviamente, ai fini pratici del calcolo, non è importante considerare tale
differenza, in quanto basta comunque porre una massa virtuale sull’emettitore del
transistor:
RS
vS
+
-
iO
+
vπ
g m v̂ π
rπ
-
21
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Abbiamo allora che
θO = −
vπ
v̂ π
=−
vO = 0
1
[rπ (− g m v̂ π )] = β
v̂ π
Passiamo adesso al rapporto di ritorno con ingresso nullo, definito nel modo
seguente:
θi = −
xi
x̂ i
=−
x S =0
vπ
v̂ π
v S =0
In questo caso, dobbiamo fisicamente cortocircuitare l’ingresso:
RS
+
vπ
g m v̂ π
rπ
-
vO
RE
Abbiamo in questo caso che
θi = −
vπ
v̂ π
=−
v S =0
RE
1
1
rπ i π = −
rπ
(− g m v̂ π ) = βR E
v̂ π
v̂ π R S + rπ + R E
R S + rπ + R E
Possiamo infine valutare A f :
Af =
Autore: Sandro Petrizzelli
RE
R S + rπ + R E 1 +
1+β
(β + 1)R E
=
βR E
R S + rπ + (β + 1)R E
R S + rπ + R E
22
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Esempio: stadio invertitore con degenerazione di
emettitore
Consideriamo lo stadio invertitore a BJT con resistenza R E di degenerazione tra
emettitore e massa:
Vogliamo calcolare il guadagno di feedback di questo
l’applicazione del principio di sovrapposizione degli effetti.
Riportiamo allora il circuito incrementale di tale stadio:
RS
vS
+
-
ii
+
vπ
stadio
mediante
vO
rπ
rO
gmvπ
-
RC
RE
Potremmo procedere come nell’esempio precedente scegliendo il parametro g m
come parametro critico. D’altra parte, possiamo anche scegliere come parametro
critico la resistenza R E, al fine di comprendere come essa influenzi il valore del
guadagno di feedback.
Per ottenere questo risultato, sostituiamo la R E con un generatore di tensione
controllato in corrente; la sua forma d’onda è evidentemente v e = R E i e , per cui il
circuito da analizzare diventa il seguente:
23
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
RS
vS
vO
+
vπ
+
-
rO
rπ
gm vπ
ie
+
-
RC
R E î e
Con questa scelta, stiamo in pratica facendo le seguenti posizioni:
x S = v S
x = v
O
O
x = i
e
i
x = v = R î
e
E e → k = R E
g
e quindi stiamo facendo riferimento al seguente grafo orientato:
D
C
B
vS
ie
RE
ve
vO
A
v O = AvS + Bve
i e = CvS + Dve
Evidentemente, quindi, i parametri A e B sono adesso dei guadagni di tensione,
mentre C e D sono delle transammettenze: il guadagno di feedback espresso in
termini di questi parametri è
Af =
vO
CkB
=A+
vS
1 − kD
Andiamo allora a calcolare questi parametri, applicando semplicemente le
rispettive definizioni.
Cominciamo dal parametro A =
vO
vS
(che non è più un guadagno della rete
R E =0
morta in quanto non ci stiamo riferendo al generatore pilotato interno ad un
dispositivo attivo):
Autore: Sandro Petrizzelli
24
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
RS
+
vS
vO
+
vπ
-
rπ
rO
RC
gm vπ
-
Se il generatore R E î e è spento, abbiamo un classico stadio ad emettitore comune
per il quale A rappresenta il guadagno di tensione, per cui
A=
Passiamo al parametro B =
vO
ve
− g m (R C // rO )
R S + rπ
, da calcolarsi con ingresso v S nullo, ossia sul
vS = 0
seguente circuito:
RS
vO
+
vπ
rO
rπ
gmvπ
-
RC
+
-
R E î e
Si trova facilmente che
B=
Passiamo adesso al parametro C =
r
β +1
+1 + O
R S + rπ
RE
ie
vS
, da calcolarsi sullo stesso circuito usato
R E =0
per il calcolo di A. Conviene, tuttavia, utilizzare l’equivalente di Thevenin del
parallelo tra il generatore pilotato di corrente e la r O :
RS
rO
ib
vO
vS
+
-
+
-
rπ
25
− β rO i b
RC
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Abbiamo che
C=
ie
=
vS
ib +
β rO i b
rO + R C
=
vS
Infine, calcoliamo D =
ie
ve
βrO v S
1 +
rO + R C R S + rπ = 1 + β rO 1
r +R R +r
vS
π
O
C
S
sullo stesso circuito usato per il calcolo di B,
vS = 0
usando però ancora una volta l’equivalente di Thevenin del parallelo tra il
generatore di corrente e la r O :
RS
rO
ib
vO
+
-
rπ
+
-
RC
− βrO i b
R E î e
Abbiamo che
D=
ie
=
ve
ib +
β rO
βrO
ve
βrO i b − v e
1 +
i b +
1 +
rO + R C
rO + R C rO + R C
rO + R C
=
=
ve
ve
ve
ve
+
rπ + R S rO + R C =
ve
β rO 1
(β + 1)rO + R C + rπ + R S
1
= 1 +
+
=
(rO + R C )(rπ + R S )
rO + R C rπ + R S rO + R C
Ripetiamo adesso il procedimento applicando l’altra formula A f = A
1+ θO
.
1 + θi
Avendo già calcolato A, dobbiamo calcolare i due rapporti di ritorno.
Cominciamo dal rapporto di ritorno con ingresso nullo, definito analiticamente
come
θi = −
xi
x̂ i
=−
x S =0
ie
î e
v S =0
Il circuito su cui ragionare è lo stesso usato per il calcolo di D: si trova che
θi =
(β + 1)R E rO + R E (R C + rπ + R S ) = (β + 1)R E
(rO + R C )(rπ + R S )
rπ + R S
Autore: Sandro Petrizzelli
26
rO +
R C + rπ + R S
β +1
rO + R C
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Passiamo adesso al calcolo del rapporto di ritorno con uscita nulla:
θO = −
xi
x̂ i
=−
x O =0
ie
î e
vO =0
Se l’uscita è nulla, possiamo escludere la R C , la quale non è attraversata da
corrente in quanto è in cortocircuito virtuale, per cui il circuito su cui ragionare è il
seguente:
RS
vS
+
vπ
+
-
rπ
rO
gmvπ
ie
+
-
R E î e
Abbiamo in questo caso che
θO = −
ie
îe
= ..... = −
RE
βrO
In definitiva, abbiamo visto come la funzione di trasferimento A f possa essere
considerata in relazione al particolare parametro (R E) su cui si fissa l’attenzione:
RE
− g m (R C // rO )
β rO
Af =
R + r + RS
R S + rπ
rO + C π
(β + 1)R E
β +1
1+
rπ + R S
rO + R C
1−
Guadagno di feedback in funzione del guadagno
asintotico
Nei paragrafi precedenti abbiamo dunque individuato due possibili formulazioni
del guadagno di feedback ottenibili con il principio della sovrapposizione degli
effetti:
Af = A +
CkB
1 + θO
=A
1 − kD
1 + θi
La prima relazione è utile per mettere in evidenza in maniera esplicita l’influenza
di un parametro prescelto come critico (cioè il k), mentre la seconda evidenzia la
presenza di una eventuale reazione interna (rappresentata da θ O ).
27
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Esiste una ulteriore possibilità, ovviamente equivalente alle precedenti, che fa
uso di un nuovo parametro, detto guadagno asintotico e
rappresenta il valore del guadagno che si ottiene facendo
parametro di riferimento k e quindi anche il relativo rapporto
Troviamo dunque la nuova espressione del guadagno
possiamo scrivere che
Af = A
Ricordando inoltre che θ O =
indicato con A∞ , che
tendere ad infinito il
di ritorno ( 2).
di feedback: intanto,
θ
1
1 + θO
=A
+A O
1 + θi
1 + θi
1 + θi
BkC
BkC
− kD =
+ θ i , abbiamo che
A
A
Aθ O = BkC + θ i A =
CB
CB
θi + θi A = θi A −
−D
D
D’altra parte, ricordando anche che A f = A +
CB
CkB
=A+
, osserviamo che,
1
1 − kD
−D
k
calcolando A f per k→∞, si ottiene che
BC
BC
A ∞ = lim A f = lim A +
=A−
k→∞
k →∞
1
D
− D
k
Da qui deduciamo che possiamo scrivere che AθO = θi A ∞ , in modo da concludere
che
Af =
A θ
A
+ ∞ i
1 + θi 1 + θi
Questo è dunque il terzo modo di esprimere il guadagno di feedback ottenuto
mediante l’applicazione del principio di sovrapposizione degli effetti: in pratica, si
tratta di esprimere A f in funzione del trasferimento diretto ottenuto per k=0 (ossia
θ i →0) e del guadagno asintotico ottenuto per k→∞ (ossia θ i →∞).
Quella relazione dice in pratica che il valore di A f si trova “a metà strada” tra il
guadagno A della rete morta (che si ottiene quando θ i=0) ed il guadagno asintotico
(che si ottiene quando θ i →∞): quanto più grande è il rapporto di ritorno con
ingresso nullo, tanto più A f tende al valore asintotico A ∞ .
Inoltre, è facile rendersi conto che, quando θ i →∞, alla condizione A f →A ∞
corrisponde, per valori finiti dell’ingresso x S , la condizione x i →0: infatti, ricordando
che x i = Cx S + Dx g = Cx S + Dkx i , otteniamo che x i =
C
x S , per cui, se k→∞, con x S
1 − kD
finito deve necessariamente risultare x i =0, ossia una condizione di cortocircuito
virtuale della tensione pilota dell’amplificatore.
E’ importante sottolineare ancora una volta che tutte le quantità di interesse (A, A∞, θO e θi) sono calcolate rispetto allo
stesso generatore controllato, che non è detto debba essere necessariamente quello appartenente ad uno dei dispositivi
attivi presenti nell’anello di reazione.
2
Autore: Sandro Petrizzelli
28
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Questa può dunque essere assunta come definizione del guadagno asintotico: il
guadagno asintotico è il guadagno dell’amplificatore in condizioni di cortocircuito
virtuale della tensione pilota dell’amplificatore stesso.
Esempio: stadio inseguitore
inseguitore di tensione a BJT
Come esempio di applicazione della formula trovata per Af nel paragrafo
precedente, possiamo considerare ancora una volta l’inseguitore di tensione a BJT,
il cui circuito equivalente è fatto nel modo seguente:
iO
RS
vS
+
-
+
vπ
g m v̂ π
rπ
-
vO
RE
Volendo applicare la relazione A f =
A
A θ
+ ∞ i , dobbiamo calcolare A, A ∞ e θ i . Nei
1 + θ i 1 + θi
paragrafi precedenti abbiamo già calcolato il guadagno della rete morta A e il
rapporto di ritorno con ingresso nullo θ i , per cui resta da calcolare A ∞ .
Per fare questo calcolo, in base alla definizione vista nel paragrafo precedente,
dobbiamo porci in condizioni di cortocircuito virtuale per la tensione pilota
dell’amplificatore. Nel nostro caso, dobbiamo dunque ritenere in cortocircuito
(virtuale) la r π : se v π =0, non c’è corrente in r π , per cui non c’è corrente nemmeno in
R S e quindi la tensione di uscita risulta essere pari alla v S , il che corrisponde a dire
che
A∞ =
vO
vS
=1
vπ =0
D’altra parte, era ovvio che fosse così , in quanto sappiamo che, in condizioni di
cortocircuito virtuale della r π , l’inseguitore diventa perfetto, ossia appunto A ∞ =1:
abbiamo cioè una desensibilizzazione totale del circuito rispetto al dispositivo
attivo, per cui A ∞ approssima il valore 1/f della rappresentazione a biporta
(consentendo tra l’altro un confronto con tale modello) nel caso in cui il rapporto di
ritorno θ 1 sia una buona stima del guadagno d’anello T.
In definitiva, le diverse formulazioni della funzione di trasferimento ad anello
chiuso, pur essendo equivalenti, pongono in evidenza aspetti diversi e trovano perciò
la loro più idonea applicazione in relazione alle particolari caratteristiche del circuito
che si desidera evidenziare: in particolare, la formula A f = A
29
1+ θO
1 + θi
viene usata
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
generalmente per il calcolo delle impedenze, mentre l’espressione A f =
A
A θ
+ ∞ i è
1 + θi 1 + θi
più idonea alla valutazione della sensibilità alle variazioni di un parametro ritenuto
critico ( 3).
E’ importante sottolineare, infine, come, con questo modello, a differenza di quello
a biporta, non sia necessario specificare a priori nemmeno l’esistenza o meno di una
reazione nel circuito, ma sono i parametri stessi del modello a fornire questa
indicazione.
Esempio: stadio invertitore con degenerazione di source
Consideriamo il seguente stadio
mediante un MOSFET a canale n:
invertitore
con
degenerazione
realizzato
Vogliamo calcolare il guadagno di feedback di questo amplificatore mediante la
formula A f =
vO
A
A θ
= D + ∞ i.
vS 1 + θi 1 + θi
Consideriamo allora il circuito equivalente per piccoli segnali di questo stadio:
iO
RS
vS
+
-
vO
+
vgs
RC
g m v̂ gs
-
R
3
Ad esempio, può essere importante determinare l’intervallo di variazione del guadagno di un amplificatore
corrispondente ai due valori estremi del parametro, ossia 0 ed ∞.
Autore: Sandro Petrizzelli
30
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Prendiamo, come parametro critico, la transconduttanza g m , il che equivale a
scegliere il generatore pilotato come riferimento per il calcolo del guadagno
asintotico e del rapporto di ritorno.
Cominciamo dal calcolo del guadagno della rete morta:
AD =
xO
xS
=
x g =0
vO
vS
g m v̂ gs = 0
Si osserva immediatamente che, se g m v̂ gs = 0 , risulta anche v O =0 e quindi A D =0.
L’espressione del guadagno di feedback si semplifica dunque nel modo seguente:
Af =
A ∞ θi
1 + θi
xO
xS
=
Passiamo al guadagno asintotico:
A∞ =
x i =0
vO
vS
v gs = 0
Quando v gs =0, è evidente che la tensione di source del MOSFET (cioè la tensione
ai capi di R) coincide con la tensione forzante v S , per cui
A∞ =
vO
=
vS
vS
R = − RD
vS
R
−RD
Infine, dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con ingresso nullo, ossia
θi = −
xi
x̂ i
=−
x S =0
v gs
v̂ gs
vS = 0
Se l’ingresso è nullo, la tensione di gate è anch’essa nulla, per cui la tensione v gs
corrisponde alla tensione di source, ossia alla tensione ai capi di R, per cui
θi = −
v gs
v̂ gs
=−
− v S Rg m v̂ gs
=
= Rg m
v̂ gs
v̂ gs
Possiamo allora concludere che il guadagno di feedback ha la seguente
espressione:
RD
−
Rg
A ∞ θi R m
R g
Af =
=
=− D m
1 + θi
1 + Rg m
1 + Rg m
Questa è l’espressione (esatta) del guadagno dell’amplificatore.
31
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Esempio: stadio invertitore a BJT con reazione basebasecollettore
Consideriamo ancora una volta uno stadio ad emettitore avente una resistenza di
reazione situata tra la base ed il collettore:
Vogliamo anche qui ricavare il guadagno di feedback mediante la relazione
Af =
vO
A θ
A
=
+ ∞ i
v S 1 + θi 1 + θ i
Consideriamo perciò il circuito equivalente incrementale dell’amplificatore
(trascurando per semplicità la resistenza di uscita r O del transistor):
RF
RS
vO
+
vS
+
-
vπ
RC
rπ
g m v̂ π
-
Prendiamo ancora una volta come parametro critico la transconduttanza g m , il
che equivale a scegliere il generatore pilotato come riferimento per il calcolo del
guadagno asintotico e del rapporto di ritorno.
Cominciamo dal guadagno della rete morta A D =
sul circuito seguente:
Autore: Sandro Petrizzelli
32
xO
xS
=
xg =0
vO
vS
, da effettuarsi
g m v̂ π = 0
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
RF
RS
vO
+
+
vS
vπ
-
RC
rπ
Se il generatore pilotato è spento, la R C va in serie alla R F e la resistenza R C +R F
va in parallelo alla r π , di modo che la resistenza (R C + R F ) // rπ vada a sua volta in
serie ad R S . Applicando allora due volte il partitore di tensione, abbiamo che
vπ =
(R C + R F ) // rπ
R S + (R C + R F ) // rπ
vS
→ v O =
da cui ricaviamo che
A=
RC
RC
(R C + R F ) // rπ
vπ =
vS
RC +RF
R C + R F R S + (R C + R F ) // rπ
RC
(R C + R F ) // rπ
R C + R F R S + (R C + R F ) // rπ
Passiamo al guadagno asintotico A ∞ =
+
-
=
x i =0
vO
vS
:
v π =0
RF
RS
vS
xO
xS
vO
0V
massa
virtuale
RC
g m v̂ π
Se v π =0 (cortocircuito virtuale della r π ), non c’è corrente in r π , per cui il terminale
di base si trova a massa virtuale: allora, la tensione ai capi di R F è v O , per cui la
corrente (diretta verso sinistra) è i RF =
vO
; questa stessa corrente, dato che non c’è
RF
corrente in r π , scorre anche in R S , per cui la tensione ai capi di tale resistenza è
v RS = R S
vO
; d’altra parte, questa stessa tensione è anche pari a -v S , per cui
RF
v
v
R
− vS = R S O
→ A = O = − F
RF
vS
RS
33
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Infine, dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con ingresso nullo, ossia
θi = −
xi
x̂ i
=−
x S =0
vπ
v̂ π
:
v S =0
RF
RS
vO
+
vπ
RC
rπ
g m v̂ π
-
Se l’ingresso è nullo, R S ed r π sono in parallelo, la resistenza R S +r π è in serie ad
R F e quindi la resistenza (R S // rπ ) + R F è a sua volta in parallelo alla R C , per cui
θi = −
vπ
R C (R S // rπ )
1
(− g m v̂ π ) = g m R C (R S // rπ )
=−
v̂ π
v̂ π R C + R F + (R S // rπ )
R C + R F + (R S // rπ )
Possiamo allora concludere che il guadagno di feedback ha la seguente
espressione:
R F g m R C (R S // rπ )
rπ
−
− g mR CR F
R S R C + R F + (R S // rπ )
A θ
R S + rπ
Af = ∞ i =
=
g m R C (R S // rπ )
1 + θi
R C + R F + (1 + g m R C )(R S // rπ )
1+
R C + R F + (R S // rπ )
N
nttee
neerraattoorree ffoorrzzaan
deell ggeen
naa d
ntteerrn
nzzaa iin
ullllaa rreessiisstteen
Noottee ssu
Consideriamo ancora l’esempio appena analizzato dello stadio invertitore a BJT
con reazione base-collettore. In particolare, facciamo l’ipotesi che l’ingresso
forzante dello stadio sia un generatore di corrente i in con resistenza di Norton R S .
Il circuito equivalente per piccoli segnali è il seguente:
RF
vO
+
iin
RS
vπ
RC
rπ
g m v̂ π
-
Supponiamo adesso che R S →∞: ci chiediamo come cambiano i valori di θ i e di A ∞ .
Autore: Sandro Petrizzelli
34
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Per quanto riguarda il rapporto di ritorno con ingresso nullo, ci basta riprendere
l’espressione trovata nel paragrafo precedente e vedere come cambia per R S →∞:
θi =
βR C
g m R C (R S // rπ )
g m R C rπ
R S →∞
→
=
R C + R F + (R S // rπ )
R C + R F + rπ R C + R F + rπ
Passiamo al guadagno asintotico A ∞ , che si ottiene per θ i →∞, ossia per v π →0 e
i b →0: se v π =0 (cortocircuito virtuale della r π ), non c’è corrente in r π , per cui la
corrente di ingresso i in fluisce interamente in R F , ai capi della quale è localizzata la
tensione di uscita v O : risulta perciò
vO
v
= −i in , da cui segue che A ∞ = O = − R F . Il
RF
i in
risultato è dunque un guadagno in transresistenza, mentre non è più possibile
definire un guadagno asintotico di tensione come invece avevamo fatto prima
supponendo R S finita.
35
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
F
Fo
orrm
mu
ullaa b
bii B
Bllaacckkm
maan
n
Introduzione
Il calcolo del guadagno di feedback mediante l’applicazione del principio di
sovrapposizione degli effetti ha portato alle seguenti tre distinte formule:
Af =
1 + θO
A
A θ
CkB
vO
=A+
=A
=
+ ∞ i
1 + θi 1 + θi 1 + θi
1 − kD
vS
Questo stesso metodo consente anche di calcolare le impedenze (di ingresso e di
uscita) di un amplificatore in anello chiuso. Consideriamo, infatti, l’amplificatore
reazionato come schematizzato nella figura seguente:
+
iX
vX
-
Amplificatore
reazionato
passivato
L’impedenza vista da una qualsiasi porta dell’amplificatore reazionato non è altro
che il rapporto tra la tensione v X e la corrente i X alla stessa porta. Quindi,
eccitando in corrente tale porta, il nostro scopo diventa quello di determinare la
funzione di trasferimento R f =v X /i X e questa determinazione può essere fatta tramite
delle formule del tutto analoghe a quelle usate per il calcolo del guadagno di
feedback, che è a sua volta una funzione di trasferimento del sistema:
v
1 + θO
Zif = S = ZiD
1 + θi
i S IN
v
1 + θO
= Z oD
Z of = S
1 + θi
i S OUT
Naturalmente, dobbiamo intenderci sul significato dei rapporti di ritorno che
compaiono in queste formule: infatti, essendo, in entrambi i casi, la funzione di
trasferimento in esame un rapporto di tensione e di corrente agli stessi terminali, θ i
e θ O vanno valutati, con riferimento alla porta considerata, imponendo,
rispettivamente, una condizione di corrente nulla e una condizione di tensione
nulla (cioè un cortocircuito virtuale) e sono perciò denotati, rispettivamente, con θ oc
(rapporto di ritorno dove “oc” sta per open circuit) e con θ sc (dove “sc” sta per short
circuit):
Autore: Sandro Petrizzelli
36
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Z if = Z iD
1 + θ sc
1 + θ oc
Z of = Z oD
1 + θ sc
1 + θ oc
E’ interessante notare che, nella valutazione di θ oc , l’unico modo per ottenere v X
nulla è quello di imporre che anche i X sia nulla, per cui non occorre calcolare alcun
particolare valore da assegnare ad i X.
Sempre in analogia a quanto fatto per il calcolo del guadagno di feedback,
possiamo esprimere le impedenze di ingresso e di uscita anche in altro modo:
Zf =
vS
CkB
= ZD +
iS
1 − kD
dove non abbiamo usato i pedici “i” ed “o” per evidenziare che questa formula (come
del resto le precedenti) vale indifferentemente per l’ingresso e per l’uscita.
Se, come di solito accade, il parametro k è quello di un generatore pilotato
appartenente al modello incrementale di un dispositivo attivo, si ottiene la
cosiddetta formula di Blackman; tale formula esprime l’impedenza ad anello
chiuso in funzione di due contributi: il primo è la Z D (impedenza di ingresso della
rete morta) e si ottiene per k=0, ossia quando si suppone spento il generatore
pilotato rispetto al quale si è scelto di applicare il principio di sovrapposizione degli
effetti; il secondo contributo è invece legato proprio al suddetto generatore pilotato
tramite il parametro k.
Inoltre, è anche possibile utilizzare, per il calcolo dell’impedenza, una formula
analoga alla terza formula vista per il calcolo del guadagno di feedback:
Zf =
ZD
Z θ
+ ∞ oc
1 + θ oc 1 + θ oc
In questa formula, il termine Z∞ ha il significato di impedenza asintotica (di
ingresso o di uscita), ossia dell’impedenza che si ottiene quando θ oc →∞.
Quest’ultima formula, oltre ad avere un significato fisico più evidente (in quanto
fornisce il valore di Z f in funzione dei due valori limite Z D e Z ∞ ottenuti per θ oc →0 e
θ oc →∞), ha il vantaggio di consentire, nel caso delle connessioni di tipo parallelo,
una agile valutazione delle impedenze.
Il metodo per ottenere la Z ∞ è quello di imporre un cortocircuito virtuale ai capi
dell’elemento circuitale sede delle grandezza elettrica (tensione o corrente) di
controllo del generatore pilotato rispetto al quale si calcola θ oc . Questo chiarisce
anche che la condizione da imporre in uscita, nel caso di connessione parallelo, per
il calcolo di θ sc è un cortocircuito virtuale.
37
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Esempio: inseguitore di tensione a BJT
Consideriamo ancora una volta uno stadio a collettore comune. Partiamo
direttamente dal suo circuito equivalente per piccoli segnali:
RS
vS
Zif
+
+
g m v̂ π
rπ
-
-
vO
RE
Vogliamo calcolare la resistenza di ingresso vista dalla resistenza R S : possiamo
allora applicare la formula
R if = R iD
1 + θsc
1 + θoc
Cominciamo dal calcolo della resistenza di ingresso della rete morta, definita
come
R iD = R if
x g =0
= R if
g m v̂ π = 0
=
vX
iX
g m v̂ π = 0
In base alla definizione, dobbiamo calcolare la resistenza vista dal terminale di
base del transistor quando il generatore pilotato è spento: se tale generatore
pilotato non eroga corrente, è evidente che r π ed R E sono in serie, per cui
R iD = rπ + R E .
Adesso dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con ingresso in cortocircuito:
θ sc = −
vπ
v̂ π
v base =0
Se la base si trova a massa virtuale, le resistenze r π ed R E sono questa volta in
parallelo, sottoposte alla tensione -v π e alimentate dalla corrente g m v̂ π : quindi
θ sc = −
1
[− g m v̂ π (R E // rπ )] = g m (R E // rπ )
v̂ π
Infine dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con ingresso in condizioni di
circuito aperto:
Autore: Sandro Petrizzelli
38
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
θ oc = −
vπ
v̂ π
i base =0
Se non c’è corrente di base, la resistenza r π non è attraversata da corrente, per
cui la tensione ai suoi capi è v π =0 e quindi risulta θ oc = 0 .
In conclusione, possiamo scrivere che
R if = R iD (1 + θ sc ) = (rπ + R E )[1 + g m (R E // rπ )] = ... = rπ + (β + 1)R E
Come si osserva, il calcolo di questa impedenza è stato estremamente semplice
ed è opportuno sottolineare come questa semplicità si conservi anche nel caso di
circuiti più complessi.
Esempio: stadio invertitore con reazione basebase-collettore
Consideriamo ancora una volta uno stadio ad emettitore comune con reazione tra
la base ed il collettore:
Il circuito equivalente per piccolo segnale è il seguente:
Ri f
RF
RS
vO
+
vS
+
-
vπ
RC
rπ
g m v̂ π
-
Vogliamo qui calcolare la resistenza di ingresso vista dalla generatore v S :
proviamo ancora una volta ad applicare la formula
39
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
R if = R iD
1 + θsc
1 + θoc
Cominciamo dalla resistenza di ingresso della rete morta R iD =
vS
iS
, ossia la
g m v̂ π = 0
resistenza vista dal generatore forzante quando il generatore pilotato è spento: se
tale generatore non eroga corrente, è evidente che R C ed R F sono in serie, che la
resistenza R C +R F è in parallelo alla r π e che il tutto è a sua volta in serie alla R S , per
cui
R iD = [(R C + R F ) // rπ ] + R S
Adesso dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con ingresso in cortocircuito
θ sc = −
vπ
v̂ π
: è evidente che, se il generatore forzante è cortocircuitato, la R S è in
v S =0
parallelo alla r π (sottoposte entrambe alla v π ), per cui
θ sc = −
1
v̂ π
R C (R S // rπ )
R C (R S // rπ )
− g m v̂ π
= gm
R C + R F + (R S // rπ )
R C + R F + (R S // rπ )
Infine dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con ingresso in condizioni di
circuito aperto θ oc = −
vπ
v̂ π
: se la corrente in R S è nulla, il generatore pilotato
iS =0
alimenta il parallelo tra la R C e la serie tra R F ed r π , per cui
θ oc = −
R C rπ
R C rπ
βR C
1
=
− g m v̂ π
= gm
v̂ π
R C + rπ + R F
R C + rπ + R F R C + rπ + R F
In conclusione, possiamo scrivere che
R if = R iD
1 + θ sc
= [((R C + R F ) // rπ ) + R S ]
1 + θ oc
R C (R S // rπ )
R C + R F + (R S // rπ )
βR C
1+
R C + rπ + R F
1+ g m
Possiamo adesso fare alcune interessanti osservazioni:
• la prima è che i passaggi appena effettuati hanno portato ad una
espressione abbastanza complicata (che comunque può essere riarrangiata e
semplificata) per via del fatto di aver scelto la sezione a monte della R S ;
avremmo invece trovato risultati più semplici se avessimo considerato la
sezione a valle della R S (come nell’esempio precedente): in particolare,
avremmo trovato θ sc =0, in quanto, ponendo la base a massa virtuale,
avremmo avuto v π =0;
Autore: Sandro Petrizzelli
40
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
• la seconda osservazione è che avremmo potuto anche utilizzare la formula
R if =
R iD
R θ
+ i∞ oc ; avendo già calcolato R iD e θ oc , sarebbe rimasto da
1 + θ oc 1 + θ oc
calcolare R i∞ , ossia la resistenza vista a monte di R S quando la variabile
pilota del generatore controllato va a zero: evidentemente, se v π =0
(cortocircuito virtuale della r π ), risulta R i∞=R S , per cui
R if =
βR C
R C + rπ + R F
[(R C + R F ) // rπ ] + R S + R S
1+
βR C
R C + rπ + R F
• infine, facciamo notare che il calcolo appena effettuato della impedenza di
ingresso si basa su un grafo diverso da quello impiegato a suo tempo per il
calcolo del guadagno di feedback e questo a causa del fatto che, in questo
caso, stiamo facendo riferimento ad una funzione di trasferimento del tipo
v S /i S . Il grafo che abbiamo implicitamente considerato in questo caso è il
seguente:
gm
iS
vπ
ig
vS
ZiD
Ricordiamo inoltre che, se avessimo calcolato (come già fatto in precedenza) la
resistenza di ingresso (ad anello chiuso) mediante l’analisi classica tramite doppi
bipoli, avremmo trovato una espressione di R if in funzione della R I , ossia della
resistenza di ingresso ad anello aperto. Questo per dire che la formula di Blackman
fornisce una indicazione concettualmente diversa da quella ottenuta tramite
l’approccio con i doppi bipoli, nonostante ovviamente il risultato finale sia sempre lo
stesso.
41
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Esempio: resistenza di uscita dello specchio di Wilson
Consideriamo nuovamente lo specchio di Wilson, ad esempio nella versione MOS:
VDD
R
IO
Irif
A
M3
M1
M2
Vogliamo calcolare la resistenza di uscita di questo specchio usando la formula
di Blackman:
R if = R iD
1 + θsc
1 + θoc
Consideriamo allora il circuito equivalente dello specchio: per quanto riguarda
M1, possiamo trascurare la resistenza di uscita, per cui esso si riduce
semplicemente al generatore pilotato g m1 v gs1 ; per quanto riguarda M2, connesso a
diodo, esso si riduce alla resistenza 1/g m2 ; infine, per quanto riguarda M3,
dobbiamo considerare anche la resistenza di uscita r O3 , per cui deduciamo che il
circuito è fatto nel modo seguente:
R
g m3 v gs 3
+ v gs3 -
rO3
vgs1
1
g m2
gm1vgs1
Per applicare la formula di Blackman, ossia per applicare il principio di
sovrapposizione, dobbiamo per prima cosa scegliere il generatore controllato di
riferimento per il calcolo dei rapporti di ritorno: abbiamo evidentemente due
possibilità (M1 ed M3), ma conviene senz’altro scegliere quello appartenente ad M1,
in quanto questo transistor non presenta reazione locale.
Autore: Sandro Petrizzelli
42
La reazione: metodo di sovrapposizione degli effetti
Fatta questa scelta (che comporta, formalmente, che la forma d’onda del
generatore diventi g m1 v̂ gs1 al posto di g m1 v gs1 ), possiamo applicare la formula.
Cominciamo dalla resistenza di ingresso della rete morta R oD =
vX
iX
, ossia la
g m1 v̂ gs1 = 0
resistenza vista dal morsetto di uscita quando g m1 v̂ gs1 = 0 : se il generatore g m1 v̂ gs1
non eroga corrente, è evidentemente nulla la tensione v g3 ai capi di R, per cui la
resistenza dal calcolare è quella di uno specchio di Widlar.
RoD
g m 3 v gs 3
rO3
1
g m2
Abbiamo dunque che
1
R oD = rO3 1 + g m3
g m2
1
1
+
=
2
r
+
O
3
g m2
g m2
Adesso dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con uscita in cortocircuito
θ sc = −
v gs1
v̂ gs1
:
v out = 0
R
g m 3 v gs 3
+ v gs 3 -
rO3
vgs1
1
g m2
gm1vgs1
Si osserva allora che r O3 ed 1/g m2 sono in parallelo, alla tensione v gs1 e
alimentate dalla corrente g m3 v gs3 , per cui
1
1
= g m 3 (− g m1 Rv̂ gs1 − v gs1 ) rO 3 //
v gs1 = g m3 v gs 3 rO3 //
gm2
g m 2
43
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Elettronica” – Capitolo 13 parte IV
Da qui ricaviamo che
v gs1
1
1
g m3g m1R rO3 //
− g m 3 g m1R rO 3 //
v gs1
g m 2
g m2
g Rr
v̂ gs1
= ... = m O
→ θsc = −
=
=
1
v̂ gs1
1
1
+ 2rO
1 + g m 3 rO 3 //
1 + g m3 rO3 //
g
g
g
m
m2
m2
Infine dobbiamo calcolare il rapporto di ritorno con uscita in condizioni di
circuito aperto θ oc = −
v gs1
v̂ gs1
: se la corrente di uscita è nulla, non c’è corrente in
i out = 0
1/g m2 , per cui è nulla la tensione v gs1 e quindi θ oc =0.
In conclusione, possiamo scrivere che
R of = R oD
1 + θ sc
1 + θ oc
g Rr
1
1 + m O
= R oD (1 + θ sc ) = 2rO +
1
g m
+ 2rO
gm
Autore: Sandro Petrizzelli
e-mail: [email protected]
sito personale: http://users.iol.it/sandry
Autore: Sandro Petrizzelli
44
